CN115123422A - 一种便于上下台阶的四足机器人腿部 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种便于上下台阶的四足机器人腿部，包括：大腿，上部与膝关节电机相连，下部与膝关节减速器相连，膝关节电机输出端与膝关节减速器输入端通过同步带相连，所述膝关节减速器具有安装齿圈；小腿，与大腿错位相连，同时与安装齿圈连接，且安装齿圈作为膝关节减速器输出端；小腿和大腿可360°回转。本发明通过大腿和小腿360°的回转，上下台阶不会发生磕碰，安全性能更高；小腿做成直线型，不仅增加小腿的强度，增加其载荷能力，而且节约加工成本；通过同步带连接膝关节电机输出端和膝关节减速器输入端，减小了膝关节电机对髋关节的转动惯量，保证膝关节的控制精度。
Description
技术领域
本发明属于四足机器人技术领域，尤其是涉及一种一种便于上下台阶的四足机器人腿部。
背景技术
仿生腿四足机器人是指腿由铰接在一起的大小腿组成的四足机器人。正常行走时，通过足底着地。
从运动学角度分析，目前主流的仿生腿四足机器人构型如图1-1所示的三种。图中机器人头部均朝左边。其中a型构型是最常见的“顺拐”，比如波士顿spot等，其优点在于可以方便地上楼梯；b型构型“括号型”，如波士顿LS3，优点在于中部空间大，便于加装负载；c型构型“X”型，如anymal机器人，优点在膝关节内收，体积小。
四足在上下楼梯时，如果除了足底外的其他地方磕到台阶，轻则会影响机器人的落脚点判断，重则损坏楼梯或小腿。b与c型不论如何上下楼梯都会有两条腿膝关节方向和楼梯方向相同，因此容易磕到膝关节或者小腿；只有a型在上楼梯时四条腿的膝关节都远离楼梯棱线(图1-2)，相对最安全；但下楼梯时如果正着走也不方便(图1-2)。
目前的技术方案是将小腿设计成有弧度的结构，如图1-3所示，尽量避免小腿肚撞到楼梯。但这样增加了小腿的重量和加工成本，对小腿的额定载荷也有削弱。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种在上下台阶时不会磕碰膝关节或小腿，额定载荷不会减小的便于上下台阶的四足机器人腿部。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种便于上下台阶的四足机器人腿部，包括：
大腿，上部与膝关节电机相连，下部与膝关节减速器相连，膝关节电机输出端与膝关节减速器输入端通过同步带相连，所述膝关节减速器具有安装齿圈；
小腿，与大腿错位相连，同时与安装齿圈连接，且所述安装齿圈作为膝关节减速器输出端；
所述小腿和大腿可360°回转。
进一步的，所述安装齿圈包括内齿面和外安装面，所述外安装面与小腿相连，所述内齿面与膝关节减速器输入端啮合传动。
进一步的，所述内齿面和膝关节减速器输入端之间设有多个传动轮，该传动轮与大腿相连，其外圈齿部分别与内齿面和膝关节减速器输入端啮合传动。
进一步的，所述大腿设有固定架，其部分伸出后与传动轮相连，膝关节减速器输入端带动传动轮自传，以驱动安装齿圈转动，以实现大腿和小腿的360°回转。
进一步的，所述小腿呈直线型。
进一步的，所述内齿面的齿宽为L1，小腿宽度为L2，则1/4L2≤L1≤1/2L2。
进一步的，所述内齿面的安装位置为1/4L2-3/4L2处。
进一步的，所述大腿和小腿的连接处设有至少两级密封结构。
进一步的，所述密封结构包括位于径向内侧的动密封件，及径向外侧的柔性隔水密封件，当小腿和大腿相对转动时，所述柔性隔水密封件发生形变以将液体甩出。
进一步的，所述柔性隔水密封件包括环状中间体，及多个隔水条，多个隔水条呈放射状间隔布设于环状中间体的外周。
进一步的，所述膝关节减速器输出端连接有安装盘，所述柔性隔水密封件贴合该安装盘设置，且所述环状中间体与安装盘相连。
本发明的有益效果是：1)通过大腿和小腿360°的回转，上台阶时将同侧双腿设置为朝后弯曲的顺拐构型，下台阶时将同侧双腿设置为朝前弯曲的顺拐构型，上下台阶不会发生磕碰，安全性能更高；2)小腿做成直线型，不仅增加小腿的强度，增加其载荷能力，而且节约加工成本；3)通过同步带连接膝关节电机输出端和膝关节减速器输入端，将膝关节减速器安装在膝关节处，膝关节电机依旧安装在髋关节同轴处，减小了膝关节电机对髋关节的转动惯量，保证膝关节的控制精度；4)通过调节同步带的尺寸进一步调整四足机器人腿部整体的减速比，使得四足机器人可以实现更大减速比的需求；5)膝关节没有电子设备，有利于线缆排布；6)传动轮与小腿、内齿面联接，固定架与大腿联接，小腿相对大腿转动时，可以直接在安装齿圈所在平面向外延伸，减小了膝关节的轴向尺寸的同时，增加了小腿的刚性，降低了小腿的加工成本；7)将小腿外壳与安装齿圈的外安装面装配，减小了腿部的轴向宽度；8)两级密封结构保证在大腿和小腿能360°回转的同时，不会有液体侵入膝关节，保证结构的稳定性，使得四足机器人能够在下雨等潮湿环境中正常工作。
附图说明
图1-1为现有技术中四足机器人的腿型简示图。
图1-2为现有技术中a型构型四足机器人上下楼梯的简示图。
图1-3为现有技术中将小腿设计成有弧度的结构示意图。
图2为本发明的主视图。
图3为本发明的侧视图。
图4为图3中的A-A剖视图。
图5为图4中的B处结构放大图。
图6为本发明的分解结构示意图一。
图7为本发明的分解结构示意图二。
图8为本发明密封结构的示意图，此时大腿和小腿相对静止。
图9为本发明密封结构的示意图，此时小腿逆时针转动。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
如图2-图6所示，一种便于上下台阶的四足机器人腿部，包括大腿1和小腿5，该小腿5和大腿1可以360°回转。
大腿1的上部与膝关节电机2相连，其下部与膝关节减速器3相连，膝关节电机2的输出端21与膝关节减速器3的输入端31通过同步带4相连，且膝关节减速器3具有安装齿圈32。
小腿5呈直线型结构，即小腿5的中轴线为一条直线，不存在整体弯曲的弧度，其与大腿1错位相连，此处的错位指的是小腿5长度的延伸平面与大腿1长度的延伸平面不相重叠，而是平行设置的异面。上述的安装齿圈32作为膝关节减速器3的输出端，与小腿5装配连接。
如图5、图7所示，安装齿圈32包括内齿面321和外安装面322，在小腿5的端部形成一端封闭一端开放的中空柱形外壳51，外安装面322与外壳51内壁固定装配，内齿面321与膝关节减速器3输入端31啮合传动。
此处的内齿面321不直接与膝关节减速器3输入端31啮合连接，而是在内齿面321和膝关节减速器3输入端31之间设置有多个传动轮6，该传动轮6与大腿1相连，传动轮6的外圈齿部分别与内齿面321和膝关节减速器3输入端31啮合传动。
更具体的，在本实施例中，传动轮6的数量为三个，膝关节减速器3输入端31在三个传动轮6中间，与传动轮6啮合传动，而三个传动轮6的外侧与内齿面321啮合传动。
大腿1设有固定架11，其部分从大腿1壳体伸出后与传动轮6相连，换句话说，传动轮6的位置相对固定，其绕着固定架11的安装柱自转，不会发生公转。
因此，膝关节减速器3输入端31转动，带动传动轮6自转，从而驱动安装齿圈32转动，继而带动小腿1相对大腿1转动，实现大腿1和小腿5的360°回转。
如图5所示，内齿面321的齿宽为L1，小腿1的宽度为L2，则1/4L2≤L1≤1/2L2。内齿面321的宽度太小，则其强度不佳，容易断裂；内齿面321的宽度太大，容易影响膝关节内部结构布局，增加膝关节总体宽度。
内齿面321的安装位置为1/4L2-3/4L2处，内齿面321的安装位置，相对于小腿1宽度来说，在小腿1宽度的1/4-3/4位置中间，相对较为中间，便于小腿1的控制，且安装结构更加稳固。
如图8、图9所示，大腿1和小腿5的连接处设置至少两级密封结构，其包括位于径向内侧的动密封件71，及位于径向外侧的柔性隔水密封件72，此处的动密封件71为现有技术中的结构，不再赘述。当小腿5和大腿1发生相对转动时，动密封件71实现大腿1和小腿5的一级密封，与此同时，柔性隔水密封件72发生形变，从而将液体甩出。
具体的，柔性隔水密封件72包括环状中间体721，及多个隔水条722，多个隔水条722呈放射状间隔布设在环状中间体721的外周。膝关节减速器3输出端连接有安装盘323，柔性隔水密封件72贴合该安装盘232设置，在本实施例中，安装盘232即为安装齿圈32的封闭端，环状中间体721与安装盘323固定相连，隔水条722则不与安装盘323固定。
在静止状态下，隔水条722呈直线放射状，如图8所示；当小腿5逆时针转动时，隔水条722远端受到小腿5摩擦力影响，呈现逆时针方向发散的形状，此时侵入的液体随着小腿5转动的方向撞到隔水条722表面，顺着隔水条722的旋转方向流出安装盘323，避免液体进入膝关节减速器3。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (11)
1.一种便于上下台阶的四足机器人腿部，其特征在于，包括：
大腿(1)，上部与膝关节电机(2)相连，下部与膝关节减速器(3)相连，膝关节电机(2)输出端(21)与膝关节减速器(3)输入端(31)通过同步带(4)相连，所述膝关节减速器(3)具有安装齿圈(32)；
小腿(5)，与大腿(1)错位相连，同时与安装齿圈(32)连接，且所述安装齿圈(32)作为膝关节减速器(3)输出端；
所述小腿(5)和大腿(1)可360°回转。
2.根据权利要求1所述的便于上下台阶的四足机器人腿部，其特征在于：所述安装齿圈(32)包括内齿面(321)和外安装面(322)，所述外安装面(322)与小腿(5)相连，所述内齿面(321)与膝关节减速器(3)输入端(31)啮合传动。
3.根据权利要求2所述的便于上下台阶的四足机器人腿部，其特征在于：所述内齿面(321)和膝关节减速器(3)输入端(31)之间设有多个传动轮(6)，该传动轮(6)与大腿(1)相连，其外圈齿部分别与内齿面(321)和膝关节减速器(3)输入端(31)啮合传动。
4.根据权利要求3所述的便于上下台阶的四足机器人腿部，其特征在于：所述大腿(1)设有固定架(11)，其部分伸出后与传动轮(6)相连，膝关节减速器(3)输入端(31)带动传动轮(6)自传，以驱动安装齿圈(32)转动，以实现大腿(1)和小腿(5)的360°回转。
5.根据权利要求1所述的便于上下台阶的四足机器人腿部，其特征在于：所述小腿(5)呈直线型。
6.根据权利要求2所述的便于上下台阶的四足机器人腿部，其特征在于：所述内齿面(321)的齿宽为L1，小腿(1)宽度为L2，则1/4L2≤L1≤1/2L2。
7.根据权利要求6所述的便于上下台阶的四足机器人腿部，其特征在于：所述内齿面(321)的安装位置为1/4L2-3/4L2处。
8.根据权利要求1所述的便于上下台阶的四足机器人腿部，其特征在于：所述大腿(1)和小腿(5)的连接处设有至少两级密封结构。
9.根据权利要求8所述的便于上下台阶的四足机器人腿部，其特征在于：所述密封结构包括位于径向内侧的动密封件(71)，及径向外侧的柔性隔水密封件(72)，当小腿(5)和大腿(1)相对转动时，所述柔性隔水密封件(72)发生形变以将液体甩出。
10.根据权利要求9所述的便于上下台阶的四足机器人腿部，其特征在于：所述柔性隔水密封件(72)包括环状中间体(721)，及多个隔水条(722)，多个隔水条(722)呈放射状间隔布设于环状中间体(721)的外周。
11.根据权利要求10所述的便于上下台阶的四足机器人腿部，其特征在于：所述膝关节减速器(3)输出端连接有安装盘(323)，所述柔性隔水密封件(72)贴合该安装盘(323)设置，且所述环状中间体(721)与安装盘(323)相连。
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